基于ANSYS的弧形閘門三維有限元分析

摘 要：弧形閘門在水利工程中廣泛應(yīng)用，但因其結(jié)構(gòu)、邊界條件等均比較復(fù)雜，仍未形成比較成熟的設(shè)計理論。結(jié)合工程實例，基于ANSYS軟件對潛孔式弧形閘門進(jìn)行數(shù)值模擬，通過計算弧形閘門在不同工況下的支鉸反力、變形、應(yīng)力以及屈曲失穩(wěn)情況，分析各個主要構(gòu)件變形和應(yīng)力分布規(guī)律，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提出建議。結(jié)果表明：弧形閘門整體剛度、強度和穩(wěn)定性滿足要求，下支臂和門體連接處應(yīng)力偏大，應(yīng)進(jìn)行加固或優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：弧形閘門；有限元；ANSYS；屈曲分析

中圖分類號：TV663 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0026-04

Three Dimensional Finite Element Analysis of Radial Gate

Based on ANSYS Software

WANG Xusheng1 SUN Liuying2 ZHANG Peng2

（1.College of Civil Engineering and Communication，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045；2.Yellow River Engineering Consulting Co. Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： Radial gates are widely used in the hydraulic engineering. However， a relatively mature theory has not formed for the complicated structural features， boundary conditions， etc. Combined with the relevant engineering case， the submerged radial gate was numerically simulated based on the ANSYS software. The characteristics of radial gate such as reaction， stress， deformation and stability were analyzed and compared under different control conditions. The results showed that the overall stiffness， strength and stability of the gate meet the requirements， but the stress concentration is obvious at the joint of the lower arm and the door body， where the phenomenon should be strengthened.

Keywords： radial gate；finite element method；ANSYS；buckling analysis

弧形閘門被廣泛應(yīng)用于水利工程中，是關(guān)系水利工程安全運行的重要結(jié)構(gòu)[1]。根據(jù)布設(shè)的位置，閘門分為露頂式閘門和潛孔式閘門[2]。由于弧形閘門復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性、水流條件及邊界條件等，仍未形成比較成熟的設(shè)計理論[3，4]。目前，閘門設(shè)計主要依據(jù)規(guī)范，使用平面計算的方法，未充分考慮結(jié)構(gòu)空間作用，不能真實反映閘門的受力特性[5，6]。因此，對潛孔式弧形閘門進(jìn)行深入研究尤為重要。隨著計算機技術(shù)的提高，有限單元法在數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用，計算結(jié)果準(zhǔn)確且適應(yīng)于各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系。本文采用有限元法，以某工程潛孔弧形閘門為例，應(yīng)用ANSYS軟件建立了符合實際的三維有限元模型，計算了弧形閘門在不同工況下的支鉸反力、變形和應(yīng)力，校核閘門設(shè)計是否滿足規(guī)范要求；分析了各個主要構(gòu)件的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，為優(yōu)化閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)；通過線性屈曲分析，得出閘門的失穩(wěn)荷載和屈曲模態(tài)。

1 有限元模型

1.1 閘門總體布置

某Ⅱ等大（二）型水電工程，設(shè)計洪水水位2 628.0m，校核洪水位2 628.7m。設(shè)置泄洪底孔1個，工作閘門采用弧形鋼閘門，工作閘門孔口尺寸為5m×6m，弧面半徑11m，底坎高程2 550m，支鉸高度7m，閘門設(shè)計水頭78m，屬于潛孔式高水頭閘門。為提高閘門剛度，門體為主縱梁結(jié)構(gòu)，支臂采用箱型斷面，并增加橫向連接系。啟閉機采用液壓啟閉機，布置在閘門頂部，可動水啟閉閘門。

1.2 建立有限元模型

弧形閘門主體結(jié)構(gòu)由支鉸、支臂、門體、吊耳等部分組成，其中門體分為面板和梁格。梁格由橫梁、縱梁共同構(gòu)成，其中橫梁3根（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），縱梁7根（1-7），如圖1所示。

建立符合結(jié)構(gòu)特征的計算模型，是有限元分析的基礎(chǔ)。閘門是一個復(fù)雜的空間薄壁結(jié)構(gòu)，目前，針對弧形閘門的有限元計算模型大致分為三類：板梁結(jié)構(gòu)、部分空間薄壁結(jié)構(gòu)和完整空間薄壁結(jié)構(gòu)[7]。為保留結(jié)構(gòu)本身的特征，本文采用第三種方法對空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，建立有限元計算模型。

單元選擇和網(wǎng)格劃分是模型離散化的重要過程，決定了計算的規(guī)模和結(jié)果準(zhǔn)確性。支鉸和吊耳空間三維特征明顯，使用實體單元SOLID187模擬；支臂和門體為薄壁結(jié)構(gòu)，使用三維殼單元SHELL181模擬。網(wǎng)格以四邊形或六面體為主的方法進(jìn)行劃分，生成的有限元模型共有節(jié)點266 705個，單元199 935個，如圖2所示。

1.3 材料參數(shù)

閘門主要構(gòu)件的材料為Q345C鋼，其彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.28，密度取7 850kg/m3。

1.4 計算工況

根據(jù)實際運行情況，主要計算弧形閘門的2種工況，分別為靜態(tài)擋水和瞬間開啟。由于閘門處于少震區(qū)，且泥沙少，忽略地震作用和泥沙壓力的影響，主要考慮靜水壓力和自重對弧形閘門的作用。載荷簡化：依據(jù)校核洪水位，面板上水平施加線性水壓力；考慮閘門的自重，整個模型施加豎向慣性載荷9.8m/s2。

靜態(tài)擋水是閘門在關(guān)閉時的正常運行情況。約束簡化：門體底部約束豎向位移為0；支鉸圓孔約束軸向、徑向的位移為0；由于啟閉桿此時對閘門的約束較弱，不考慮吊耳處的約束；門體側(cè)面滑塊處約束法向位移。瞬間開啟是閘門在瞬間開啟時的運行情況。約束簡化：吊耳圓孔約束軸向、徑向的位移為0；支鉸圓孔約束軸向、徑向的位移為0；門體側(cè)面滑塊處約束法向位移。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 支鉸反力

靜態(tài)擋水時，支鉸反力為23 003kN，指向面板；瞬間開啟時，支鉸反力為22 030kN，指向面板。瞬間開啟時，吊耳約束了閘門的豎向變形，承擔(dān)了部分荷載，因此，支鉸反力略小于靜態(tài)擋水時的支鉸反力。

2.2 工況對比

閘門采用Q345C鋼，適用于von-Mises準(zhǔn)則。提取兩種工況下變形和von-Mises應(yīng)力結(jié)果，閘門的變形和受力情況符合基本規(guī)律。對比兩種工況，如表1所示，兩種工況下的變形相差較小，但閘門在瞬間開啟時應(yīng)力較大，大于靜態(tài)擋水時3.69%。瞬間開啟是閘門工作的不利工況，變形、應(yīng)力結(jié)果如圖3、圖4所示。

2.3 變形結(jié)果

在瞬間開啟工況下，閘門由于兩側(cè)約束的限制，整體變形以徑向收縮變形為主。最大變形發(fā)生在面板下部區(qū)格中心為5.375mm，徑向變形為4.811mm。閘門的總體變形較小，空間結(jié)構(gòu)布置合理，符合規(guī)范要求。

面板為薄壁結(jié)構(gòu)且直接承壓，各區(qū)格內(nèi)由于沒有支撐，沿徑向向內(nèi)凹陷較大，最大相對向內(nèi)凹陷0.68mm。橫梁和縱梁共同組成梁格，承擔(dān)面板上的荷載并傳遞給支臂。橫梁以彎曲變形為主，跨中位置撓度最大。以橫梁位置為X軸，從對稱面到端面，以其徑向變形值為Y軸，繪制變形圖，如圖5所示。因水壓力線性作用在門體上，位于下部的橫梁Ⅲ承受較大的荷載作用，變形較大。橫梁Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ最大撓度分別為0.388mm、0.617mm和0.757mm，小于規(guī)范容許值。瞬間開啟時，門體底端處于自由狀態(tài)不受約束，縱梁底端變形較大。以縱梁位置為X軸，從弧頂?shù)交〉?，以其徑向變形值為Y軸，繪制變形圖，如圖6所示。隨著深度的增加，縱梁的變形呈不斷增大的趨勢，在布設(shè)橫梁的位置，變形增長速率略有降低。最大變形發(fā)生在縱梁1的下端，為4.2mm，小于規(guī)范容許值。支臂是箱型鋼梁，以軸向收縮變形為主。下支臂的變形大于上支臂，上、下支臂軸向最大變形值分別為1.78mm和3.14mm。

2.4 應(yīng)力結(jié)果

在瞬間開啟工況下，閘門的最大等效應(yīng)力在下支臂與門體的連接處為184.27MPa，小于規(guī)范容許值，且有一定的安全儲備，符合規(guī)范設(shè)計要求。

面板的最大等效應(yīng)力為136.63MPa，在縱梁1與面板下部連接處。因縱梁1的厚度較大且處于對稱位置，對面板的支撐作用較強。橫梁的最大等效應(yīng)力為108.54MPa，在橫梁Ⅲ腹板和翼緣的連接位置。以橫梁的腹板和翼緣連接位置為X軸，從對稱面到端面，以其等效應(yīng)力值為Y軸，繪制應(yīng)力變化圖，如圖7所示。在與支臂連接處，相對剛度較大，應(yīng)力增大，最大增幅約125%，其他位置變化平緩?？v梁的最大等效應(yīng)力為114.28MPa，在腹板和翼緣連接部位。在與橫梁連接處，應(yīng)力出現(xiàn)增大，最大增幅約85%，其他位置應(yīng)力變化平緩。支臂構(gòu)件中，由于線性水壓的作用，下支臂應(yīng)力較大，上支臂和腹桿應(yīng)力較小。分別選取下支臂箱型截面上4個角點為原點，以下支臂長度方向為X軸方向，以其等效應(yīng)力值作為Y軸，繪制應(yīng)力變化圖，如圖8所示。在下支臂與橫梁連接的端面，出現(xiàn)應(yīng)力集中，角點應(yīng)力增幅較大。支臂上表面與腹桿連接處，相對剛度較大，應(yīng)力局部增加。

2.5 屈曲分析

弧形閘門是空間薄壁結(jié)構(gòu)且以承壓為主。對國內(nèi)外閘門失事的調(diào)查分析表明，其主要的破壞特征為支臂失穩(wěn)發(fā)生彎扭破壞，因此屈曲分析是必要的[8，9]。屈曲分析是求解結(jié)構(gòu)從穩(wěn)定到失穩(wěn)時臨界載荷的方法，分為線性屈曲分析和非線性屈曲分析。線性屈曲分析基于線彈性的假設(shè)，忽略了非線性因素，是基本的屈曲分析[10]。為了簡化計算過程，本文選擇線性屈曲的方法進(jìn)行分析。

屈曲因子如表2所示，閘門所受載荷增至6.03，首次出現(xiàn)屈曲，縱梁2發(fā)生局部失穩(wěn)。觀察前6階屈曲模態(tài)形狀，主要是發(fā)生在門體結(jié)構(gòu)中的縱梁的局部屈曲，沒有引起支臂屈曲或整體屈曲，箱型支臂的穩(wěn)定性較好。在荷載增加至6.03前，閘門的穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求，未發(fā)生屈曲破壞。

3 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例，基于有限元軟件ANSYS建立了計算模型，計算了閘門的支鉸反力、變形、應(yīng)力及屈曲失穩(wěn)情況，分析了潛孔弧形閘門的靜力特性，得出以下結(jié)論。

①弧形閘門在靜態(tài)擋水和瞬間開啟工況下的變形、應(yīng)力、穩(wěn)定性符合規(guī)范設(shè)計要求，瞬間開啟是閘門工作的不利工況。

②瞬間開啟工況下，弧形閘門的最大變形在面板下部區(qū)格中心，向內(nèi)凹陷；最大等效應(yīng)力在下支臂與橫梁連接處，腹板和翼緣連接位置。

③在閘門各部分的連接處，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，在設(shè)計過程中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧瑴p小應(yīng)力增加，如圓角過渡、增設(shè)加勁板、提高焊縫質(zhì)量等。

④屈曲分析中，箱型支臂的穩(wěn)定性較好，縱梁易發(fā)生局部失穩(wěn)。線性屈曲分析忽略了閘門各種非線性因素，應(yīng)進(jìn)一步采用非線性屈曲的方法分析校核。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)根華.水工閘門流激振動研究進(jìn)展[J].水利水運工程學(xué)報，2006（1）：66-73.

[2]中華人名共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范：SL 74—2013[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[3]張維杰，嚴(yán)根華，陳發(fā)展，等.深孔弧形閘門靜動力特性及流激振動[J].水利水運工程學(xué)報，2016（2）：111-119.

[4]鄭圣義，倪尉翔，季薇.不同吊點位置的弧形閘門應(yīng)力有限元分析[J].人民黃河，2015（9）：102-105.

[5]張雪才，王正中，孫丹霞，等.中美水工鋼閘門設(shè)計規(guī)范的對比與評價[J].水力發(fā)電學(xué)報，2017（3）：78-89.

[6]牛文宣，趙冉，蘇林王，等.大跨度弧形閘門靜動力學(xué)數(shù)值分析[J].水電能源科學(xué)，2013（7）：173-176.

[7]謝智雄，周建方.大型弧形閘門靜力特性有限元分析[J].水利電力機械，2006（4）：21-24.

[8]邢林生，周建波.水電站水工閘門運行事故及對策[J].水力發(fā)電，2012（8）：70-73.

[9]丁峰，曹海瑞，周勝.基于ANSYS的弧形閘門支臂屈曲分析研究[J].水利水電技術(shù)，2016（2）：119-122，127.

[10]周炬，蘇金英.ANSYS Workbench有限元分析實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2017.